Diamanter kan vara en tjejs bästa vän, men de kan också en dag hjälpa oss att förstå hur hjärnan behandlar information, tack vare en ny avkänningsteknik som utvecklats vid MIT.

Ett team i MIT:s Quantum Engineering Group har utvecklat en ny metod för att styra nanoskala diamantsensorer, som kan mäta även mycket svaga magnetfält. Forskarna presenterar sitt arbete den här veckan i tidskriften Naturkommunikation .

Den nya styrtekniken gör att de små sensorerna kan övervaka hur dessa magnetfält förändras över tid, som när neuroner i hjärnan överför elektriska signaler till varandra. Det kan också göra det möjligt för forskare att mer exakt mäta magnetfält som produceras av nya material, till exempel metamaterialen som används för att göra superlinser och "osynlighetskläder".

Under 2008 ett team av forskare från MIT, Harvard Universitet, och andra institutioner avslöjade först att nanoskala defekter inuti diamanter kan användas som magnetiska sensorer.

De naturligt förekommande defekterna, känd som kväve-vakans (N-V) centra, är känsliga för yttre magnetfält, ungefär som kompasser, säger Paola Cappellaro, Esther och Harold Edgerton docent i kärnvetenskap och teknik (NSE) vid MIT.

Defekter inuti diamanter är också kända som färgcentra, Cappellaro säger, eftersom de ger ädelstenarna en särskild nyans:"Så om du någonsin ser en fin diamant som är blå eller rosa, färgen beror på att det finns defekter i diamanten. "

NV-centrumfelet består av en kväveatom i stället för en kolatom och bredvid en vakans-eller ihålig-inom diamantens gitterstruktur. Många sådana defekter i en diamant skulle ge ädelstenen en rosa färg, och när de belyses med ljus avger de ett rött ljus, Säger Cappellaro.

För att utveckla den nya metoden för att styra dessa sensorer, Cappellaros team undersökte diamanten först med grönt laserljus tills de upptäckte att ett rött ljus sändes ut, som berättade exakt var felet befann sig.

De applicerade sedan ett mikrovågsfält på nanoskala -sensorn, för att manipulera elektronspinnet i N-V-centrum. Detta ändrar ljusintensiteten som avges av defekten, till en grad som inte bara beror på mikrovågsfältet utan även på eventuella externa magnetfält.

För att mäta externa magnetfält och hur de förändras över tid, forskarna riktade in sig på nanoskala -sensorn med en mikrovågspuls, som bytte riktning för N-V-centrumets elektronspinn, säger teammedlem och NSE -doktorand Alexandre Cooper. Genom att applicera olika serier av dessa pulser, agerade som filter - var och en bytte riktning för elektronspinnet ett annat antal gånger - teamet kunde effektivt samla in information om det yttre magnetfältet.

De använde sedan signalbehandlingstekniker för att tolka denna information och använde den för att rekonstruera hela magnetfältet. "Så vi kan rekonstruera hela dynamiken i detta yttre magnetfält, som ger dig mer information om de underliggande fenomen som skapar själva magnetfältet, "Säger Cappellaro.

Teamet använde en kvadrat med diamant med tre millimeter i diameter som sitt prov, men det är möjligt att använda sensorer som bara är tiotals nanometer stora. Diamantsensorerna kan användas vid rumstemperatur, och eftersom de helt och hållet består av kol, de kan injiceras i levande celler utan att skada dem, Säger Cappellaro.

En möjlighet skulle vara att odla neuroner ovanpå diamantsensorn, att låta den mäta magnetfält som skapas av "åtgärdspotentialen, "eller signal, de producerar och överför sedan till andra nerver.

Tidigare, forskare har använt elektroder inuti hjärnan för att "peta" ett neuron och mäta det elektriska fältet som produceras. Dock, detta är en mycket invasiv teknik, Säger Cappellaro. "Du vet inte om neuronet fortfarande beter sig som det skulle ha gjort om du inte hade gjort någonting, " hon säger.

Istället, diamantsensorn kunde mäta magnetfältet noninvasivt. "Vi kan ha en rad av dessa defektcentra för att undersöka olika platser på neuron, och då skulle du veta hur signalen sprider sig från en position till en annan i tid, "Säger Cappellaro.

I experiment för att demonstrera sin sensor, laget använde en vågledare som en artificiell neuron och applicerade ett externt magnetfält. När de placerade diamantsensorn på vågledaren, de kunde exakt rekonstruera magnetfältet. Mikhail Lukin, professor i fysik vid Harvard, säger att arbetet visar mycket fint förmågan att rekonstruera tidsberoende profiler för svaga magnetfält med hjälp av en ny magnetisk sensor baserad på kvantmanipulation av defekter i diamant.

"En gång tekniker som demonstreras i detta arbete kan göra det möjligt för oss att göra realtidsavkänning av hjärnaktivitet och lära oss hur de fungerar, säger Lukin, som inte var inblandad i denna forskning. "Potentiella långtgående konsekvenser kan innefatta upptäckt och eventuell behandling av hjärnsjukdomar, även om mycket arbete återstår att göra för att visa om detta verkligen kan göras, " han lägger till.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.